Resumen: Ethernet industrial, como nueva dirección en el desarrollo de redes de sistemas de control, también ha penetrado gradualmente en las redes de control industrial. Por tanto, la coexistencia de buses de campo estándar y diversificados y Ethernet industrial existirá durante mucho tiempo. Este artículo realiza un estudio en profundidad sobre el mecanismo de comunicación de interconexión entre redes heterogéneas, y analiza algunos problemas existentes en cada mecanismo, como los elevados costes de desarrollo, la escasa escalabilidad y la portabilidad. A partir de un análisis detallado del mecanismo de funcionamiento de la pasarela de conversión de protocolos, se propone una pasarela de conversión de protocolos basada en la biblioteca de protocolos de middleware embebido. Utiliza ideas de capas y tecnología de reutilización de software para diseñar la escalabilidad y portabilidad de la biblioteca de protocolos; jerarquiza y componentiza la biblioteca de protocolos, y define los principios y el control de granularidad de la componentización de la biblioteca de protocolos de middleware embebido; y utiliza la tecnología de memoria compartida realiza el intercambio de información de datos. Finalmente, se diseña y desarrolla una pasarela de conversión de protocolos embebida fácilmente portable y escalable para realizar la comunicación interconectada entre múltiples protocolos.Palabras clave: Conversión de protocolos de bus de campo biblioteca de protocolos
Resumen: Ethernet Industrial, como nueva dirección de desarrollo de redes de sistemas de control, ha penetrado gradualmente en las redes de control industrial, por lo que el estándar La coexistencia de bus de campo cuasi-diversificado y Ethernet industrial existirá durante mucho tiempo. En este artículo, se estudia en profundidad el mecanismo de comunicación de interconexión entre redes heterogéneas, y se analizan algunos problemas existentes en cada mecanismo, como el elevado coste de desarrollo, la escalabilidad y la escasa portabilidad. A partir del análisis detallado del mecanismo de funcionamiento de la pasarela de conversión de protocolos, se propone una pasarela de conversión de protocolos basada en la biblioteca de protocolos de middleware integrado. La idea de capas y la tecnología de reutilización de software se utilizan para diseñar la escalabilidad y portabilidad de la biblioteca de protocolos. La biblioteca de protocolos es jerárquica y por componentes, y se definen el principio y el control de granularidad de la biblioteca de componentes de la biblioteca de protocolos de middleware embebido. La tecnología Sharedmemory permite el intercambio de información de datos. Por último, se diseña e implementa una pasarela de conversión de protocolos embebida, escalable y portátil, basada en la comunicación de interconexión multiprotocolo. Palabras clave: Fieldbus Conversión de protocolos Librería de protocolos.
1 Introducción:
En el campo del control de la automatización, el bus de campo se ha utilizado ampliamente en la red de control subyacente. Sin embargo, con el desarrollo y los cambios tecnológicos de la tecnología de redes y la tecnología embebida, la demanda de inteligencia crece día a día, y la conexión en red y la apertura de los sistemas de control se han convertido en la tendencia de desarrollo de la industria. tendencia. En la actualidad, la propia tecnología de bus de campo sigue teniendo ciertas limitaciones. En particular, los diversos buses de campo estándar internacionales existentes son incompatibles y competitivos entre sí en términos de protocolos de comunicación y estándares de bus, y no pueden lograr la interoperabilidad. Esto limita seriamente el desarrollo de los buses de campo en el campo del control. En el proceso de actualización y transformación del sistema de red de control, debido a que los diferentes fabricantes de dispositivos integrados in situ adoptan diferentes métodos de comunicación y no existe un protocolo de software universal entre ellos, la comunicación utilizada para conectar los dispositivos integrados en la red inteligente industrial Los medios de hardware varían ampliamente, al igual que los buses de campo y los protocolos de comunicación, formando una red heterogénea incompatible que carece de apertura y compatibilidad.
2 Introducción a las tecnologías relacionadas con la comunicación en red
El PLC tiene algunas características de un ordenador de propósito general, pero su método de trabajo es muy diferente al de un ordenador de propósito general. Adopta un método de trabajo de escaneo cíclico. El principio se puede explicar como el programa de tareas se procesa de acuerdo a una cierta secuencia de acceso y secuencia de ejecución. Cada vez que se completa un ciclo de exploración, el programa de usuario se ejecuta en un bucle desde el principio, y la operación se repite. Su proceso de trabajo se muestra en la figura, que incluye principalmente tres etapas: etapa de muestreo de entrada, etapa de ejecución del programa y etapa de escaneo de salida.
Como se muestra en la Figura 1, incluye principalmente tres etapas: etapa de muestreo de entrada, etapa de ejecución del programa y etapa de exploración de salida.
Figura 1 Diagrama del principio de funcionamiento del PLC
A medida que los protocolos de comunicación se convierten en un componente crítico de una red de control embebida, aumenta la necesidad de nuevos protocolos que cumplan requisitos de gran ancho de banda y previsibilidad. Existe una gran variedad de protocolos de comunicación en tiempo real. Entre estos protocolos, los que pueden satisfacer la reutilización en vehículos son: Controller Area Network (CAN), Local Internet Network (LIN) y SAE J1850 se utilizan actualmente a gran escala. Además, sólo unos pocos protocolos son adecuados para aplicaciones de seguridad con requisitos obligatorios de previsibilidad. Un estudio y comparación de los protocolos de comunicación para sistemas empotrados que cumplen los requisitos de seguridad en la literatura muestra que las actividades de comunicación de datos deben poder ser activadas, ya sea una respuesta dinámica basada en eventos, o una activación estática basada en sondeo de tiempo [3]. Por un lado, existen protocolos de información de programación estática basados en el procesamiento del tiempo, como los protocolos SAFE BUS y SPIDER utilizados en la industria de la aviónica, TTCAN y el protocolo de activación por tiempo TTP utilizado en la industria del automóvil. Por otro lado, algunos son protocolos de comunicación que programan dinámicamente la información. Por ejemplo, Controller Area Network (CAN) se utiliza ampliamente en diversos campos, y el protocolo LONWORKS y el protocolo PROFIBUS se emplean habitualmente en sistemas de tiempo real. Entre ellos, el bus CAN es el protocolo de comunicación basado en eventos más conocido y utilizado en el campo de los sistemas de tiempo real embebidos distribuidos.
3. Investigación sobre algoritmos de control de la congestión en pasarelas integradas
3.1 Modelo de control de políticas de gestión activa de colas Para resolver el problema de que las actividades de comunicación de datos deben activarse de forma determinista, un medio eficaz es el descarte proactivo de paquetes en lugar del reactivo. La estrategia de gestión de colas correspondiente se denomina gestión activa de colas, que es el algoritmo dominante para la gestión de colas de búfer. La idea básica es que, de acuerdo con el cambio de la longitud de la cola, antes de que se desborde el búfer de la cola, los datos de los paquetes que llegan se descartan con probabilidad. La señal de marca de descarte del paquete es detectada por el extremo de origen tras un retardo, y el extremo de origen determina el estado de la red basándose en ella. De este modo, la estrategia forma un sistema de control de bucle cerrado, en el que el controlador, cuya salida es la señal de control del sistema, y el algoritmo de control de velocidad en el extremo de origen es el ejecutor del sistema, que, junto con las características de longitud de cola del encaminador y el retardo del enlace, generaliza los objetos que componen el sistema, como se muestra en la figura 2.
Figura 2 Modelo de control de la política de gestión activa de colas
La investigación sobre algoritmos de enlace se centra actualmente en el algoritmo de "Gestión Activa de Colas" (Active Queue Management, AQM). Comparado con el tradicional "Droptail" (cola de caída), AQM descarta o marca los mensajes antes de que se desborde el búfer del dispositivo de red. .
3.2 Principales ventajas de la GCA
(1) Reducir la pérdida de paquetes en la pasarela. El uso de AQM puede reducir la longitud de la cola, mejorando así la capacidad de los nodos intermedios de la red para acomodar el tráfico en ráfaga [6].
(2) Reducir el retraso de los paquetes que pasan por la pasarela. Reducir la longitud media de la cola puede reducir eficazmente el retardo de espera de los paquetes en los dispositivos de red.
(3) Evitar que se produzca un comportamiento de bloqueo.
3.3 Algoritmo RED
Un algoritmo representativo de AQM es el algoritmo RED (random early detection). RED tiene mejor rendimiento que Droptail. En el RFC2309, RED se recomienda encarecidamente como futuro estándar. Sin embargo, investigaciones posteriores han descubierto que el rendimiento de RED es muy sensible a la configuración de los parámetros del algoritmo, y hasta ahora no se ha utilizado ampliamente en Internet. Según los resultados publicados, RED funciona mejor que Droptail, pero tiene dos defectos principales:
(1) RED es muy sensible a los ajustes de los parámetros, y cambiarlos tiene un gran impacto en el rendimiento. Hasta ahora, no existe un método claro para determinar estos parámetros;
(2) A medida que aumenta el número de "flujos" en la red, la longitud media de las colas de la pasarela aumentará gradualmente, lo que también va en detrimento de la mejora del rendimiento en tiempo real.
4 Diseño de la pasarela de conversión de protocolos
4.1 Estructura de composición de la pasarela La pasarela de conversión de protocolos incluye principalmente el procesador central, el controlador Ethernet, el transceptor RS485/232 y otros controladores de bus de campo, equipos periféricos de E/S, memoria fuera del chip, etc. La estructura de composición de la pasarela se muestra en la Figura 3.
Figura 3 Diagrama de estructura del hardware de la pasarela
(1) Los datos de información de solicitud y control llegan a la pasarela a través del enlace Ethernet, y el chip de control Ethernet de la pasarela realiza el flujo de datos de la capa física Ethernet; (2) El módulo EMAC del procesador procesa los datos y obtiene los datos válidos de enlace de la capa;
(2) El módulo EMAC del procesador deconstruye los datos y obtiene datos válidos en la capa de enlace;
(3) Estos datos se entregan al programa de conversión de la pasarela para su procesamiento a través del bus de alta velocidad (AHB) con el fin de obtener la solicitud original y la información de control;
(4) A continuación, encapsular los datos según el formato del protocolo de bus de destino y seleccionar el canal de bus correspondiente en el chip para enviar los datos;
(5) La trama de datos llega al enlace de bus físico correspondiente a través del módulo transceptor de bus fuera del chip conectado con estos canales de bus. La conversión inversa es la circulación inversa del proceso de datos anterior para realizar el reenvío de datos a través de la red.
4.2 Diagrama jerárquico del software
En el diseño de la estructura del programa del sistema, se introduce la idea de diseño de software de middleware de comunicaciones embebido. Cada dispositivo se abstrae, y la implementación de la biblioteca de protocolos de red adopta un diseño de estructura jerárquica, utilizando mecanismos de información para lograr el acceso entre capas, blindando los detalles de acceso de la capa superior a la capa inferior, realizando la llamada transparente de interfaces de programa, y facilitando el trasplante entre plataformas y la depuración de programas. [8]. La jerarquía del software se muestra en la Figura 4.
Resume:
Se analizan la arquitectura de hardware heterogénea y los protocolos de comunicación heterogéneos en la red de control, centrándose en diversos protocolos de comunicación de red de bus y características de comunicación. Investigar y analizar los mecanismos de comunicación de interconexión entre redes heterogéneas, proponer y completar el diseño de una pasarela de conversión de protocolos basada en la biblioteca de protocolos de middleware embebido, definir los principios y el control de granularidad de la componentización de la biblioteca de protocolos de middleware embebido, y utilizar la tecnología de memoria compartida para lograr el intercambio de datos. Completar el diseño y la implementación de software y hardware de la pasarela de conversión de protocolos, incluido el diseño y la implementación de la biblioteca de protocolos, el diseño de la interfaz de acceso unificado y la implementación del proceso de conversión. Con el fin de garantizar la calidad de servicio de la pasarela de conversión de protocolos en el enlace de red de control heterogéneo, en vista de los complejos factores de incertidumbre en el proceso de conversión de protocolos de comunicación, se analizan las ventajas y desventajas de la tecnología de control de congestión de la red de información, el algoritmo de control de congestión del lado de la fuente y el algoritmo de control del enlace. Se propone una estrategia de control de la congestión basada en el control difuso.
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